植物譜系地理數(shù)據(jù)分析方法

趙　寧

西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏　拉薩　850012

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植物譜系地理數(shù)據(jù)分析方法

趙寧

西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏拉薩850012

譜系地理是以歷史生物地理學(xué)為基礎(chǔ)，通過分子手段將居群遺傳變異宏觀地理分布及孢粉遺傳學(xué)和古生物學(xué)相結(jié)合，研究物種內(nèi)居群形成現(xiàn)有格局的歷史原因和進(jìn)化過程的一門學(xué)科。本文主要論述其后期數(shù)據(jù)分析所用到的軟件以及部分原理和使用方法。

譜系地理；植物；數(shù)據(jù)分析；方法

譜系地理學(xué)，是通過比較一個(gè)地區(qū)中多個(gè)共同分布的類群的譜系地理格局，來揭示這個(gè)地區(qū)生物區(qū)系在地質(zhì)歷史組合中模糊的隔離分化事件，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)這一地區(qū)的生物地理格局以及構(gòu)成這一格局的地質(zhì)歷史過程?；蚴沁z傳信息的載體，通過復(fù)制將遺傳信息傳給下一代，DAN序列本身具有相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)化演變過程和巨大的信息量等優(yōu)勢(shì)，而在復(fù)制過程中因?yàn)橥饨绛h(huán)境的改變或者隨機(jī)的差異會(huì)導(dǎo)致基因序列發(fā)生變化。通過研究不同居群內(nèi)和居群間的植物的DAN序列的差異度、突變率、遺傳多樣性等追蹤基因流的變化方向來推斷物種的進(jìn)化方向，進(jìn)而推斷期間發(fā)生的歷史事件是譜系地理學(xué)的主要研究方向。譜系地理學(xué)研究前期工作主要有：野外采樣，DAN提取，PCR擴(kuò)增獲得目的片段，核基因的單克隆制備，測(cè)序等。后期主要是用相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)序所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文主要針對(duì)后期數(shù)據(jù)分析做簡(jiǎn)單介紹。

一、查看峰形圖——chromas 1.62

測(cè)序回來拿到的序列一般先進(jìn)行峰形圖的查看，峰形圖各峰單一明晰且沒有重復(fù)序列視為良好。

二、序列拼接軟件——contigExpress 6.0.620.0

一般為確保測(cè)序結(jié)果的準(zhǔn)確性，做正反向引物的雙向測(cè)序，通過雙向的序列進(jìn)行拼接，獲得最終序列，序列拼接時(shí)遵循雙空位切掉，根據(jù)好的改錯(cuò)的原則對(duì)序列進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯ば薷摹?/p>

三、序列比對(duì)——Clustal

將contigExpress拼接好的序列以Fasta文件格式復(fù)制并粘貼到記事本中，對(duì)于有些方向倒置的序列，可用EditSeq進(jìn)行調(diào)整，所有序列按照一定的順序排列到TXT文檔中，保存。將上述TXT文檔輸入ClustalX中進(jìn)行比對(duì)，名稱程序自動(dòng)輸出兩個(gè)文件，aln格式和dnd格式，根據(jù)自己所需要的長(zhǎng)度在另存為中設(shè)置所需要的堿基位點(diǎn)區(qū)間，并修改文件名稱，以防與軟件自動(dòng)輸出的aln文件混淆；dnd格式是ClustalX 自動(dòng)建立的NJ樹，可以忽略，aln文件可以用于后續(xù)MEGA4.0構(gòu)建NJ樹。ClustalX比對(duì)結(jié)果還可以保存另外幾個(gè)格式，其中phy格式可以用于后續(xù)核苷酸多態(tài) 性分析。

四、DnaSP分析

DNASP軟件是一個(gè)分析DAN序列多態(tài)性和單倍型的實(shí)用軟件，它可用于分析單倍型的種類和數(shù)量，計(jì)算單倍型多樣性(Hd)與核苷酸多樣性(π)和某一時(shí)間點(diǎn)的多態(tài)性的Tajima中性檢驗(yàn)(Tajima 1989)及Fu & Li檢驗(yàn)(Fu and Li，1993；FU，1997)。同時(shí)由于群體遺傳結(jié)構(gòu)上，群體大小的變化會(huì)通過DAN序列數(shù)據(jù)的檢測(cè)得到變化的痕跡，序列失配分布(Roger and Harpending，1992)提供了可推測(cè)動(dòng)態(tài)時(shí)間的方法。

失配分布(Mismatch Distribution)是用來檢測(cè)居群是否發(fā)生擴(kuò)張的一種方法，它是用來檢測(cè)觀察居群的失配分布曲線和理論居群的失配分布曲線的偏離度的，若居群處于擴(kuò)張狀態(tài)或者經(jīng)歷瓶頸效應(yīng)的情況會(huì)導(dǎo)致失配分布呈單峰分布，則r值偏低，若居群處于動(dòng)態(tài)平衡或者處于緩慢的衰退狀態(tài)，則失配分布為雙峰或者多峰，則r值偏高。

五、遺傳多樣性分析——Arlequin v3.0

Arlequin v3.0是一款集合了多種功能功能的遺傳學(xué)分析軟件，包括分子多態(tài)性、錯(cuò)配分布、遺傳距離估計(jì)以及分子差異度分析(AMOVA)，同時(shí)，Arlequin v3.0也可以計(jì)算Tajima中性檢驗(yàn)及及Fu & Li檢驗(yàn)。

六、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖——Nexwork

Nexwork4.600這種網(wǎng)絡(luò)圖可以包含所有最簡(jiǎn)約的樹，而且可顯示序列的信息(如同質(zhì)性位點(diǎn)的位置、突變熱點(diǎn)以及分辨單倍型類型等)在聚類節(jié)點(diǎn)之間的距離越近，它們的單倍型就越相近，因此，分析單倍型網(wǎng)絡(luò)圖可以更加直觀地看出各個(gè)單倍型之間的親緣關(guān)系遠(yuǎn)近。

七、系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建

(一)NJ樹的構(gòu)建

相鄰鏈接法(Neighbor Joining NJ)是Saitou和Nei 1987基于最小進(jìn)化原理提出的，NJ法并不檢驗(yàn)有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但在每一個(gè)階段都要應(yīng)用最小進(jìn)化原理，軟件MEGA4.0可以構(gòu)建NJ樹。

(二)MP樹的構(gòu)建

最大簡(jiǎn)約法(Maximum parsimony，MP)，是一種常用于系統(tǒng)發(fā)生學(xué)計(jì)算的構(gòu)樹算法，利用簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)(Parsimony Informative site)，對(duì)給定分類單元所有可能的樹進(jìn)行比較，選擇其中長(zhǎng)度最小、代價(jià)最小的樹作為最終的系統(tǒng)發(fā)生樹(楊子恒，2008)。

(三)ML樹

最早利用最大似然法(Maximum likelihood，ML)來構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的是Cavalli-sforza和Edwards(1967)。在ML法中，以一個(gè)特定的替代模型分析既定的一組數(shù)據(jù)，使獲得的每一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的似然率均最大，再找出最大似然率最大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選為最終樹(Nei and Kumar著，呂寶忠等譯，2002)。相對(duì)于MP樹，ML樹建樹速度最快。

[1]Avise J.C.The history and purview of phylogeography：a personal reflection[J].MEcology，1998，7：317-319.

[2]Avise J.C.Phylogeography：retrospect and prospect[J].Journal of Biogeography，2009，36：3-15.

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